Pojemność elektryczna jest jednym z podstawowych pojęć elektrostatyki. Termin ten odnosi się do zdolności akumulacji ładunku elektrycznego. Możesz mówić o pojemności pojedynczego przewodnika, możesz mówić o pojemności systemu składającego się z dwóch lub więcej przewodników. Procesy fizyczne są podobne.
Zawartość
Podstawowe pojęcia związane z pojemnością elektryczną
Jeśli przewodnik otrzymał ładunek q, powstaje na nim potencjał φ. Potencjał ten zależy od geometrii i otoczenia - dla różnych przewodników i warunków ten sam ładunek wywoła inny potencjał. Ale φ jest zawsze proporcjonalne do q:
φ=Cq
Współczynnik C nazywamy pojemnością elektryczną.Jeśli mówimy o układzie kilku przewodników (zwykle dwóch), to przy przekazaniu ładunku na jeden przewodnik (płytkę) pojawia się różnica potencjałów lub napięcie U:
U=Cq, stąd С=U/q
Pojemność można zdefiniować jako stosunek różnicy potencjałów do ładunku, który ją spowodował. Jednostką SI dla pojemności jest farad (kiedyś mówiono farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Innymi słowy, system ma pojemność 1 farada, w której po przekazaniu ładunku 1 kulomba powstaje różnica potencjałów wynosząca 1 wolt. 1 Farad to bardzo duża wartość. W praktyce najczęściej stosuje się wartości ułamkowe - pikofarad, nanofarad, mikrofarad.
W praktyce takie połączenie pozwala uzyskać baterię, która wytrzymuje większe napięcie przebicia dielektryka niż pojedyncze ogniwo.
Obliczanie pojemności kondensatorów
W praktyce najczęściej stosowane jako elementy o znormalizowanej pojemności elektrycznej kondensatory, składający się z dwóch płaskich przewodów (płytek), oddzielonych dielektrykiem. Wzór na obliczenie pojemności elektrycznej takiego kondensatora wygląda następująco:
C=(S/d)*ε*ε0
gdzie:
- C - pojemność, F;
- S to powierzchnia okładzin, mkw;
- d jest odległością między płytami, m;
- ε0 - stała elektryczna, stała, 8,854*10−12 f/m;
- ε jest przenikalnością elektryczną dielektryka, wielkością bezwymiarową.
Z tego łatwo zrozumieć, że pojemność jest wprost proporcjonalna do powierzchni płytek i odwrotnie proporcjonalna do odległości między przewodami. Na pojemność ma również wpływ materiał, który oddziela płyty.
Aby zrozumieć, w jaki sposób wielkości określające pojemność wpływają na zdolność kondensatora do przechowywania ładunku, możesz przeprowadzić eksperyment myślowy, aby stworzyć kondensator o największej możliwej pojemności.
- Możesz spróbować zwiększyć powierzchnię płytek. Doprowadzi to do gwałtownego wzrostu wymiarów i wagi urządzenia. Aby zmniejszyć rozmiar wykładziny rozdzielającym je dielektrykiem, są one zwijane (w tubę, płaski brykiet itp.).
- Innym sposobem jest zmniejszenie odległości między płytami. Nie zawsze jest możliwe umieszczenie przewodników bardzo blisko, ponieważ warstwa dielektryczna musi wytrzymać pewną różnicę potencjałów między płytami. Im mniejsza grubość, tym mniejsza wytrzymałość dielektryczna szczeliny izolacyjnej. Jeśli pójdziesz tą ścieżką, nadejdzie czas, kiedy praktyczne zastosowanie takiego kondensatora stanie się bezsensowne - może działać tylko przy ekstremalnie niskich napięciach.
- Zwiększenie przepuszczalności elektrycznej dielektryka. Ta ścieżka jest uzależniona od rozwoju technologii produkcyjnych, które obecnie istnieją. Materiał izolacyjny musi mieć nie tylko wysoką wartość przepuszczalności, ale także dobre właściwości dielektryczne, a także utrzymywać swoje parametry w wymaganym zakresie częstotliwości (przy wzroście częstotliwości pracy kondensatora maleje charakterystyka dielektryka).
Niektóre instalacje specjalistyczne lub badawcze mogą wykorzystywać kondensatory sferyczne lub cylindryczne.
Pojemność kondensatora sferycznego można obliczyć ze wzoru
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
gdzie R są promieniami kul, a π=3,14.
Dla kondensatora cylindrycznego pojemność jest obliczana jako:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l to wysokość cylindrów, a R1 i R2 to ich promienie.
Zasadniczo obie formuły nie różnią się od wzoru na płaski kondensator. Pojemność jest zawsze określana przez wymiary liniowe płytek, odległość między nimi i właściwości dielektryka.
Szeregowe i równoległe połączenie kondensatorów
Możliwość podłączenia kondensatorów szeregowo lub równolegle, uzyskując zestaw o nowych właściwościach.
Połączenie równoległe
Jeśli połączysz kondensatory równolegle, całkowita pojemność powstałej baterii jest równa sumie wszystkich pojemności jej elementów. Jeśli bateria składa się z kondensatorów o tej samej konstrukcji, można to uznać za dodanie powierzchni kuli. W takim przypadku napięcie na każdym ogniwie akumulatora będzie takie samo, a ładunki się zsumują. Dla trzech kondensatorów połączonych równolegle:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
połączenie szeregowe
Po połączeniu szeregowym opłaty dla każdej pojemności będą takie same:
q1=q2=q3=q
Całkowite napięcie rozkłada się proporcjonalnie pojemności kondensatorów:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Jeśli wszystkie kondensatory są takie same, to na każdym z nich spada jednakowe napięcie. Całkowita pojemność jest określana jako:
С=q/( U1+U2+U3), stąd 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Wykorzystanie kondensatorów w technologii
Logiczne jest używanie kondensatorów jako urządzeń magazynujących energię elektryczną. W tej pojemności nie mogą konkurować ze źródłami elektrochemicznymi (baterie galwaniczne, kondensatory) ze względu na małą zmagazynowaną energię i dość szybkie samorozładowanie z powodu wycieku ładunku przez dielektryk.Ale ich zdolność do gromadzenia energii przez długi czas, a następnie niemal natychmiastowego jej oddawania, jest szeroko stosowana. Ta właściwość jest wykorzystywana w lampach błyskowych do fotografii lub lampach do wzbudzania laserów.
Kondensatory są szeroko stosowane w radiotechnice i elektronice. Pojemności są wykorzystywane w obwodach rezonansowych jako jeden z elementów ustawiających częstotliwość obwodów (drugi element to indukcyjność). Wykorzystuje również zdolność kondensatorów do nieprzepuszczania prądu stałego bez opóźniania składowej zmiennej. Takie zastosowanie jest powszechne w przypadku oddzielania stopni wzmacniających w celu wykluczenia wpływu modów DC jednego stopnia na drugi. Jako filtry wygładzające w zasilaczach stosowane są duże kondensatory. Istnieje również ogromna liczba innych zastosowań kondensatorów, w których przydatne są ich właściwości.
Niektóre praktyczne konstrukcje kondensatorów
W praktyce stosuje się różne konstrukcje kondensatorów płaskich. Konstrukcja urządzenia determinuje jego charakterystykę i zakres.
zmienny kondensator
Popularny typ kondensatora zmiennego (VPC) składa się z bloku ruchomych i nieruchomych płyt oddzielonych powietrzem lub stałym izolatorem. Ruchome płyty obracają się wokół osi, zwiększając lub zmniejszając obszar zakładki. Po usunięciu ruchomego bloku szczelina międzyelektrodowa pozostaje niezmieniona, ale średnia odległość między płytami również się zwiększa. Stała dielektryczna izolatora również pozostaje niezmieniona. Wydajność reguluje się zmieniając powierzchnię płytek i średnią odległość między nimi.
kondensator tlenkowy
Wcześniej taki kondensator nazywano elektrolitem. Składa się z dwóch pasków folii oddzielonych papierowym dielektrykiem impregnowanym elektrolitem. Pierwszy pasek służy jako jedna płytka, druga płytka służy jako elektrolit. Dielektryk to cienka warstwa tlenku na jednym z metalowych pasków, a drugi pasek służy jako kolektor prądu.
Ze względu na to, że warstwa tlenku jest bardzo cienka, a elektrolit ściśle do niej przylega, możliwe stało się uzyskanie wystarczająco dużych pojemności przy umiarkowanych rozmiarach. Ceną za to było niskie napięcie robocze – warstwa tlenku nie ma dużej wytrzymałości elektrycznej. Wraz ze wzrostem napięcia roboczego konieczne jest znaczne zwiększenie wymiarów kondensatora.
Innym problemem jest to, że tlenek ma przewodnictwo jednostronne, więc takie pojemniki są używane tylko w obwodach prądu stałego z polaryzacją.
Jonistor
Jak pokazano powyżej, tradycyjne metody zwiększania Kondensatory mają naturalne ograniczenia. Dlatego prawdziwym przełomem było stworzenie jonizatorów.
Chociaż to urządzenie jest uważane za ogniwo pośrednie między kondensatorem a baterią, w istocie nadal jest kondensatorem.
Odległość między płytami jest drastycznie zmniejszona dzięki zastosowaniu podwójnej warstwy elektrycznej. Płyty są warstwami jonów o przeciwnych ładunkach. Stało się możliwe gwałtowne zwiększenie powierzchni płyt dzięki spienionym porowatym materiałom. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie superkondensatorów o pojemności nawet setek faradów.Wrodzoną chorobą takich urządzeń jest niskie napięcie robocze (zwykle w granicach 10 woltów).
Rozwój technologii nie stoi w miejscu – lampy z wielu dziedzin wypierane są przez tranzystory bipolarne, te z kolei zastępowane są triodami unipolarnymi. Projektując obwody, starają się w miarę możliwości pozbyć się indukcyjności. A kondensatory nie straciły swoich pozycji przez drugi wiek, ich konstrukcja nie zmieniła się zasadniczo od czasu wynalezienia słoika lejdejskiego i nie ma perspektyw na zakończenie ich kariery.
Podobne artykuły:
